Page 87 - 理化检验-物理分册2024年第十期

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质量控制与失效分析 DOI:10.11973/lhjy-wl240214

核燃料组件用冷拉弹簧丝绕制断裂原因

何 君，钟多军，李 莎，罗林龄
（中核建中核燃料元件有限公司，宜宾 644000）

摘 要：针对核燃料组件用XH77ТЮР合金弹簧丝在绕制过程中出现的断裂问题，采用宏观观察、
扫描电镜分析、金相检验、化学成分分析、X射线衍射物相分析、缠绕性能试验、电子背散射衍射等
方法对弹簧丝断裂原因进行分析。结果表明：冷拉弹簧丝绕制断裂模式为脆性断裂，断口附近显微
组织粗糙，存在多处细微裂纹；弹簧丝表面存在加工硬化层，边缘区域的晶粒尺寸较小，内外部组织
分布不均匀；弹簧丝表面存在微裂纹和划痕等表面缺陷，在弹簧绕制的拉应力作用下，表面硬化层
和缺陷处形成裂纹并迅速扩展，导致弹簧发生脆性断裂。
关键词： XH77ТЮР合金；弹簧丝；脆性断裂；裂纹；加工硬化
中图分类号：TG115.2；TB31 文献标志码：B 文章编号：1001-4012(2024)10-0071-06
Fracture reason of cold drawn spring wire for nuclear fuel assembly

HE Jun, ZHONG Duojun, LI Sha, LUO Linling

( CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co.,Ltd., Yibin 644000, China )
Abstract: Aiming at the fracture problem of XH77TЮP alloy spring wire for nuclear fuel assembly in the winding
process, the fracture causes of spring wire were analyzed by means of macroscopic observation, scanning electron
microscope analysis, metallographic examination, chemical composition analysis, X-ray diffraction phase analysis, winding
performance test and electron backscatter diffraction. The results show that the fracture mode of cold drawn spring wire
was brittle fracture, the microstructure near the fracture was rough, and there were many fine cracks. There was a work
hardening layer on the surface of the spring wire, the grain size in the edge region was small, and the internal and external
microstructure distribution was uneven. There were surface defects such as micro cracks and scratches on the surface of the
spring wire. Under the tensile stress of the spring winding, the surface hardening layer and the defects formed cracks and
expanded rapidly, resulting in brittle fracture of the spring.
Keywords: XH77TЮP alloy; spring wire; brittle fracture; crack; work hardening

上管座螺旋压缩弹簧是核燃料组件的重要零部 航空工业中 。使用某批次弹簧丝冷绕上管座螺旋
[5]
件之一，可以防止燃料组件窜动及补偿堆内结构部 压紧弹簧时，部分弹簧绕制时发生断裂现象。在反
件的热膨胀，减少对燃料组件变形的影响。当控制 应堆运行过程中，上管座弹簧长期承受交变载荷和
棒组件快速插入燃料组件时，弹簧能起到缓冲减速 辐照，疲劳断裂是其最有可能的破坏形式，而弹簧一
的作用，避免在冲击力的作用下，燃料组件因控制棒 旦断裂，将严重影响燃料组件的稳定性以及反应堆
组件的下落而产生过大变形 [1-3] 。 的安全性。笔者采用宏观观察、扫描电镜（SEM）分
某燃料组件上管座螺旋压缩弹簧材料为 析、金相检验、化学成分分析、X射线衍射 （XRD）物
XH77ТЮР合金，该合金是以Ni、Cr元素为基体，添
相分析、缠绕性能试验、电子背散射衍射（EBSD）等
加Al、Ti元素，形成γ'相弥散强化的高温合金。镍
方法对弹簧丝在绕制过程中异常断裂的原因进行分
基高温合金具有较高的高温强度、抗氧化性、加工
析，对保证后续产品质量的可靠性尤为重要。
性能和高温抗疲劳性能 ，被广泛应用于核工业和
[4]
1 理化检验
收稿日期：2024-07-27
作者简介：何 君（1975-） ，男，本科，高级工程师，主要从事核 1.1 宏观观察
燃料组件及相关组件制造工艺研究工作，hejunjsw@139.com 弹簧丝断口基本相同，断口较尖锐，呈 V 形，
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